20世纪人类活动对全球干旱状况有影响,地球淡水的未来

20世纪人类活动对全球干旱状况有影响

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自然气候过程掩盖了最近人类引起的步行环流趋势

科技日报北京5月7日电
据英国《自然》杂志近日发表的一篇气候科学论文,美国国家航空航天局根据“干旱图谱”展示了相关证据,证明人类在20世纪对全球的干旱状况产生了影响。一项干旱严重等级的记录揭示了三个明显的趋势,并且表明人类活动产生的温室气体以及气溶胶可能影响到干旱风险。

关注淡水:通过预测旱灾和洪水,跟踪藻类的爆发,美国国家航空航天局对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。

本周发表在《自然气候变化》(Nature Climate
Change)杂志上的一项新研究表明,最近赤道太平洋风系统(称为Walker环流)的加强与人类的影响无关,可以用自然过程来解释。这一结果结束了关于前所未有的大气趋势的驱动因素的长期争论,这种趋势导致了西热带太平洋海平面上升速度加快了三倍,并导致了全球变暖的中断。

据信,人类活动驱动的气候变化会改变全球水文气候,而水文气候将决定持续干旱或降雨增强的风险。由于水文气候变化的区域差异,以及缺乏详细的观测数据,人们一直难以弄清人类活动对于全球干旱风险的影响。

版权:NASA /Katy Mersmann

受赤道太平洋东西向海面温差的驱动,Walker环流是全球大气环流的主要特征之一。它的特征是西太平洋的上升运动和东赤道太平洋的下降运动。在海面信风从东向西吹,导致沿赤道的冷水上涌。从上世纪90年代初到2013年左右,这种环流急剧加剧,冷却了东赤道太平洋,引发了全球风和降雨的变化。这些条件进一步加剧了加州的干旱,加剧了特大干旱,影响了农业、水资源和野火。鉴于这些对生态系统和社会的广泛影响,最近的Walker环流趋势已成为人们研究的热点。

为了解决这些问题,NASA戈达德太空研究所科学家凯特·马维尔等人,此次分析了源自树木年轮数据的“干旱图谱”,从而展示了土壤湿度的区域性变化;加之其他气候模型和观测结果,鉴定了潜在的土壤湿度变化的驱动因素。他们的记录显示,1900年至1949年干旱加剧,而1950年至1975年干旱缓解,自此之后干旱一直在加剧。

NASA的卫星是研究和说明水的重要工具,因为水分不断地循环,从水蒸气到通过降雨和降雪的形式落在土壤里,再到地面和地面以下。由于温室气体导致地球大气变暖,卫星数据记录也越来越长、越来越详细,科学家们正在研究气候变化是如何影响水资源分布的。

与观测到的增强相反,大多数气候计算机模型模拟了在温室气体浓度增加的强迫下,Walker环流的逐渐减弱。“气候模型预测之间的差异和观察到的趋势导致猜测目前的气候模型的保真度和热带气候的表征过程,“Eui-Seok
Chung说。

20世纪前半叶的干旱趋势对应着温室气体排放水平上升。1950年至1975年的趋势扭转则对应气溶胶的增加——气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的体系,尽管只占地球大气含量中很少部分,对地圈、生物圈的影响与作用却不可低估。现在已有研究表明,气溶胶会影响降雨,改变云量。但是NASA研究团队认为,气溶胶浓度与干旱风险之间的关联还有待进一步调查。20世纪末的干旱加剧似乎与温室气体排放相关,不过根本原因尚未确定,而且其中的关联在统计学上并不明显。

研究发现,各种趋势正在开始出现,特别是洪水和旱灾的频率和严重程度将出现极端情况。这些趋势影响着从当地天气到农作物生长地的方方面面,其后果将在当前和未来几个世纪波及整个社会。

为了确定观测到的热带大气环流变化是自然气候过程造成的,还是人为引起的气候变化造成的,来自韩国、美国和德国的科学家们聚在一起,对迄今为止最新的大气趋势进行了最全面的大数据分析之一。“使用卫星数据,改善表面的观察和大量的气候模型模拟,结果表明,自然的变化,而不是人为的影响,负责最近的沃克环流加强,”阿克塞尔Timmermann教授说。

科学家认为这些发现显示,从20世纪初开始,人类活动和干旱风险之间或存在关联。

当考虑到地球上水资源分布的变化时,不仅要知道哪里下雨或者不下雨,还要知道雨量多少,以及大雨和小雨下得多频繁。降雨量会影响土壤的饱和度,以及溪流和河流的水位,从而改变它们在另一场风暴中容纳更多雨水的能力。缺少雨水会对植被和补充水源造成压力,而当降雨频率增加时,这些水源在下一个干旱期之前很难得到恢复。

在他们的综合分析中,研究人员发现,卫星推断出的Walker环流的增强比之前研究中使用的其他地表观测所暗示的要弱得多。将地表观测结果与最新的卫星产品结合起来是我们研究的一个关键因素。

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分析了61种因温室气体浓度增加而被迫进行的计算机模型模拟,研究表明,尽管平均响应是沃克循环减弱,但个别模型实验之间存在显著差异,尤其是考虑到短期趋势时。“我们发现,一些模型甚至与观测到的热带太平洋的变化一致,与其他计算机实验形成鲜明对比,这些实验显示,在观测期间,Walker环流持续减弱,”德国的Viju
John博士说。然后,就能够梳理出计算机模型模拟中传播的原因。

随着更多的强降雨事件,各社区出现小型洪水的可能性将增加。

Ha
Kyung-Ja教授解释说:“自然气候的变化,例如与厄尔尼诺-南风振荡或十年代际太平洋振荡有关,可以在模拟热带气候趋势的多样性中占很大一部分。”

版权:NASA

Brian
Soden教授“观察到的趋势并不罕见。在气候模型模拟中,我们总能找到几十年的短期周期,显示出与卫星数据推断出的趋势相似。然而,在大多数情况下,考虑到对全球变暖的百年反应,这些趋势最终会逆转它们的迹象”。

NASA的卫星数据和地面测量数据支持对水资源分布长期变化的研究。其中之一是美国国家气候评估(U.S.
National Climate
Assessment),该报告研究气候变化及其对美国各区域产生的潜在影响。

该研究的结论是,从1990年到2013年观测到的Walker环流加强及其对西太平洋海平面、东太平洋变冷、美国西南部干旱的影响是一种自然发生的现象,这与预测的人为气候变化的概念并不矛盾。鉴于热带太平洋的自然年代际变化水平很高,至少还需要20年的时间才能明确地探测到人类在太平洋Walker环流上留下的印记。

例如,在这些变化中,美国各地观测到的特大降水事件有所增加。从1958年到2016年,美国东北部各州的暴雨事件增加了55%,中西部各州增加了42%,东南部各州增加了27%。西部各州的暴雨事件也有小幅增加,摧毁了当地集水区吸收过量降水的能力。

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水文学家克里斯塔•彼得斯-利达德(Christa
Peters-Lidard)是位于马里兰州绿带的NASA戈达德太空飞行中心的地球物理学家,同时也是水文和生物圈部门副主任。Peters-Lidard表示:“当你考虑改变降水分布的时候,你就会开始想,如果降雨量增加,就意味着洪水泛滥。如果将有更多的暴雨事件发生,很大可能会发生在没有洪水防御设计的地区,这意味着我们需要考虑如何将我们的基础设施设计得更有能力适应更多暴雨事件,并对我们设计一些桥梁和排水系统的方式进行反思。”

Peters-Lidard对不断变化的暴雨模式对在不同条件下建立的社区所造成的实际影响并不陌生。在过去的五年里,她的家乡马里兰州埃利科特市(Ellicott
City)经历了两场千年一遇的大洪水,摧毁了许多企业和房屋。她说:“这对社区造成了毁灭性的影响。”为了应对洪水和可能发生的更多小型洪水事件,她表示:“我们正在重新考虑主要街道,以及我们应该在哪里重建、不应该在哪里重建。”

图片 4NASA的科学家们利用树木年轮来了解过去的旱灾情况,并结合土壤水分数据建立气候模型来估计21世纪未来的旱灾风险。”
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但是,尽管一些地区预计将变得更加潮湿,其他地区将变得更加干燥。越来越高的气温和不断改变的降水模式可能导致旱灾,且NASA的研究表明人类已经影响全球干旱模式近一个世纪。

NASA戈达德太空研究所和和美国纽约哥伦比亚大学的研究人员凯特•马弗尔(Kate
Marvel)和本•库克使用历史气象数据和树木年轮计算的干旱地图,研究人类对20世纪干旱模式的影响。他们发现,早在20世纪初,就出现数据“指纹”,即一种预计会随着温室气体排放而发生的干燥和湿润的模式。

根据这种“指纹”预测,亚洲部分地区将因温室气体排放而变得更加潮湿,而美国西南部、中美洲和欧洲地区将变得更加干燥。当研究人员将这些数据与实际数据进行对比时,发现这种模式出现于20世纪初。它在1950年后短暂下降,大概是由于大气污染程度较高,但在最近几十年又重新出现,而且越来越强。

Cook表示,证明人类在过去影响了全球干旱模式是理解我们在未来可能如何影响这些模式的一个重要部分。

Cook说:“气候变化不仅仅是未来的问题,该研究表明气候变化已经在影响全球旱灾、水文气候、趋势和变化模式,并且现在正在发生当中。我们预计,如果我们继续让世界变暖,这些趋势就会一直持续下去。”

展示气候模型准确描述过去旱灾的能力,有助于确认它们模拟未来旱灾的能力。Cook的另一项研究显示,如果温室气体排放沿着目前的轨迹继续增长,美国西南部的“超级飓风”可能会持续30多年。Cook和他的团队运行了17种不同的气候模型,这些模型结果均显示未来可能会出现更长时间且更严重的旱灾。

该团队也是第一个将他们的预测结果与远古的关于旱灾的古气候记录进行比较的团队,比如1100年至1300年间的北美旱灾。这使他们能够研究比现代记录中任何旱灾都严重的旱灾,并了解如何与预测的未来旱灾进行比较。他们发现,未来的“特大旱灾”持续的时间可能与以往旱灾一样长,甚至更长,而且可能会更干旱。

根据这些气候预测,淡水的未来将充满极端:旱灾将在一些地区对动植物和人类的安全、健康、食物和水供应构成严重挑战,而洪水也将在其他地区造成同样的后果。随着淡水在地球上流动,NASA的科学研究不仅在预测这些极端挑战方面至关重要,同时也对应对这些挑战的准备方面至关重要。

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